ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΕΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΕΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΦΥΣΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΜΕ ΚΑΤΙΟΝΤΑ ΜΟΛΥΒΔΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΧΡΩΜΙΚΩΝ ΑΝΙΟΝΤΩΝ ΑΠΟ ΥΔΑΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΧΑΤΖΗΑΝΤΩΝΙΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥΣ ΑΘΗΝΑ 2012

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Με την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους αυτούς που συνέβαλαν στην ομαλή διεξαγωγή της. Ειδικότερα θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την επιβλέπουσα καθηγήτρια κα Αικατερίνη Χαραλάμπους για την ανάθεση του θέματος και την σημαντική της βοήθεια στην ολοκλήρωσή της συγκεκριμένης διπλωματικής. Σημαντικό μέρος των ευχαριστιών θα ήθελα να εκφράσω στην διδάκτορα Ε.Μ.Π. κα Εβίνα Κάτσου και τον υποψήφιο διδάκτορα Ε.Μ.Π. κ. Αθανάσιο Θάνο, για τη συνεχή καθοδήγηση, τις συμβουλές, τη συμπαράσταση, και την αμέριστη βοήθειά τους σε όλη την πορεία εκπόνησης της εργασίας μου. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω όλο το προσωπικό τη; Μονάδας Επιστήμης και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος, της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Ε.Μ.Π. για το φιλικό κλίμα καθώς και για τη συνεργασία και τη συμπαράσταση τους. Τέλος, θα ήθελα να απευθύνω ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένειά μου για την ηθική και υλική συμπαράσταση που έδειξαν και την κατανόησή τους, όλα τα χρόνια των σπουδών μου, καθώς όλα αυτά ήταν πολύ σημαντικά για την υλοποίηση αυτής της διπλωματικής. 1

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρουσία του εξασθενούς χρωμίου στο περιβάλλον οφείλεται κυρίως σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Λόγω των ποικίλων βιομηχανικών εφαρμογών του η ρύπανση των εδαφών και των φυσικών υδάτων αποτελεί πλέον σημαντικό πρόβλημα παγκοσμίως. Ως εκτούτου έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνικές απομάκρυνσης του εξασθενούς χρωμίου από υγρά απόβλητα και φυσικά νερά όπως η χημική καταβύθιση, η χημική, ηλεκτροχημική και φωτοκαταλυτική αναγωγή, η χρήση μεμβρανών, η προσρόφηση, ιοντοεναλλαγή, βιολογικές μέθοδοι κ.ά. Μια τεχνική απομάκρυνσης εξασθενούς χρωμίου από υδατικά διαλύματα, η οποία συγκεντρώνει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών μελετών είναι η προσρόφηση με χρήση προσροφητικών υλικών χαμηλού κόστους. Υπάρχει πληθώρα μελετών που σχετίζονται με τη χρήση φυσικών ορυκτών, τα οποία έχουν υποστεί κάποια τροποποίηση ώστε να αποκτήσουν μεγαλύτερη ικανότητα δέσμευσης χρωμικών ανιόντων. Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της δυνατότητας προσρόφησης του εξασθενούς χρωμίου, Cr(VI), που περιέχεται σε υδατικά διαλύματα από τροποποιημένα με μόλυβδο φυσικά ορυκτά (ατταπουλγίτη, βερμικουλίτη, ζεόλιθου, μπετονίτη και περλίτη). Το Cr(VI) συναντάται στα υδατικά διαλύματα με τη μορφή ανιόντων (CrO χρωμικό, Cr 2 O διχρωμικό και HCrO όξινο χρωμικό ανιόν). Τα φυσικά ορυκτά, εξαιτίας της αρνητικά φορτισμένης επιφάνειάς τους, δεν εμφανίζουν έλξη προς ανιόντα γεγονός που καθιστά μη αποτελεσματική την απομάκρυνση των χρωμικών ανιόντων. Συγκεκριμένα, τα φυσικά ορυκτά που χρησιμοποιήθηκαν είναι ο ζεόλιθος, ο ατταπουλγίτης, ο βερμικουλίτης, ο μπετονίτης και ο περλίτης και τροποποιήθηκαν με κατιόντα μολύβδου. Ο δεσμευμένος στο ορυκτό μόλυβδος ευνοεί τη δέσμευση των χρωμικών ανιόντων με τη δημιουργία άλατος (PbCrO 4 ) στο ορυκτό. Κατά την τροποποίηση μελετήθηκε αν αλλάζει η δομή του ορυκτόυ μετά τη δέσμευση του μολύβδου και παρατηρήθηκε ότι παραμένει αμετάβλητη. Ο χαρακτηρισμός των ορυκτών έγινε με τις τεχνικές XRD και XRF. Στη συνέχεια μελετήθηκε η προσροφητική ικανότητα των τροποποιημένων με μόλυβδο ορυκτών όσον αφορά τη δέσμευση χρωμικών ανιόντων από υδατικά διαλύματα. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν ήταν οι αρχικές συγκεντρώσεις των χρωμικών ανιόντων, το ph και οι ποσότητες των τροποποιημένων ορυκτών. Αναλυτικότερα, μελετήθηκε η αρχική συγκέντρωση χρωμικών ανιόντων σε τιμες 100, 200, 300, 400 και 500 mg/l. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση του ph στην προσρόφηση των χρωμικών ανιόντων και παρατηρήθηκε ότι στην τιμή ph: 4,5 επιτυγχάνεται μηδενική καταβύθιση. Έτσι σε όλη την πειραματική διαδικασία η τιμή του ph ήταν 4,5. Η τελευταία παράμετρος που μελετήθηκε ήταν η ποσότητα του τροποποιημένου ορυκτού με τιμές 10, 20 και 50g/L. Από την πειραματική διαδικασία προέκυψε ότι και τα τρία ορυκτά στη μεγαλύτερη ποσότητά τους (50g/L) απομακρύνουν σε ποσοστό μεγαλύτερο του 90% τα χρωμικά ανιόντα από τα διαλύματα. Η σειρά που ακολουθείται όσον αφορά την απομάκρυνση Cr(VI) από τα τροποποιημένα ορυκτά που μελετήθηκαν είναι η εξής: βερμικουλίτης > περλίτης > ζεόλιθος Επίσης, μελετήθηκε η κινητική προσρόφησης των χρωμικών ανιόντων από τα τροποποιημένα ορυκτά και πιο συγκεκριμένα εξετάστηκαν τα μοντέλα πρώτης τάξης, δεύτερης τάξης και Elovich. Παρατηρήθηκε ότι το μοντέλο που ανταποκρίνεται καλύτερα στα πειραματικά δεδομένα είναι το μοντέλο Elovich. 2

4 Ακόμα μελετήθηκαν και τα μοντέλα των ισόθερμων ρόφησης των χρωμικών ανιόντων (Langmuir, Freundlich και Dubinin-Radushkevich) από τα τροποποιημένα ορυκτά. Το μοντέλο της ισόθερμης που ταιριάζει καλύτερα στα αποτελέσματα των πειραμάτων είναι το μοντέλο Freundlich. Τέλος, σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα βρέθηκε ότι το πιο αποτελεσματικό, στη δέσμευση χρωμικών ανιόντων, υλικό είναι ο τροποποιημένος βερμικουλίτης. Λέξεις Κλειδιά: τροποποιημένα φυσικά ορυκτά, προσρόφηση, χρωμικά ανιόντα, ιοντοεναλλαγή 3

5 ABSTRACT The presence of hexavalent chromium in the environment is mainly due to anthropogenic activities. Chromium is widely used in industries and pollution of soils and waters by chromium is now recognized as serious global matter. As a consequence, many processes for chromate removal have been studied and developed such as chemical precipitation, chemical, electrochemical and photocatalytic reduction, membrane separation, adsorption, ionexchange and biological methods. A technique which has been extensively studied is the adsorption of chromate using low cost adsorbents. There exist numerous studies related with the use of natural mineral which after various modifications acquire greater adsorption capacity for chromate anions. The objective of this work is the study of adsorption of hexavalent chromium Сr(VI) from aqueous solutions by use of modified with lead, minerals (attapulgite, bentonite, perlite, vermiculite and zeolite). Hexavalent chromium Сr(VI) appears in aqueous solutions by anion forms (CrO 4 - chromate, Cr 2 O 7 -dichromate και HCrO 4 - acid chromate anion). Non modified minerals because of their negatively charged surface, do not show any affinity for anions and as a result the effective removal of chromic anions becomes impossible. The natural minerals used are zeolite, attapulgite, bentonite, perlite and vermiculite and were modified with Pb 2+ cations. The modified with Pb 2+ minerals removed chromate anion from solution via the formation of an insoluble chromate salt (PbCrO 4 ) on the mineral. During the modification, it has been studied if there was a change in minerals structure and it has been observed that their structure remained the same. The structure of natural and modified minerals was characterized using XRD and XRF techniques. The performance of the modified with Pb 2+ minerals in chromate removal was studied at different conditions. The parameters evaluated were initial concentration, solution ph and mineral quantities. The initial chromate concentrations studied were 100, 200, 300, 400 and 500 mg/l. Also, was studied the affection of the ph values on the adsorption of chromate anions. It has been observed that in the ph value of 4,5 we can succeed zero sinking. Thus, in the whole experimental process the ph value was 4.5. The last parameter that was studied was the quantity of the modified minerals using the values of 10, 20, 50g/L. From the experimental process occurred that all three minerals in the larger quantity (50g/L) remove, with a percentage larger than 90%, the chromate anions from solutions. Modified minerals, that were studied, adsorbed hexavalent chromium in the following order: vermiculite>perlite>zeolite Also, were studied the kinetics of adsorption of chromic anions from modified minerals and specifically were examined the models of first class, second class and Elovich. It was observed that the model that corresponds better in the experimental data is the Elovich model. Moreover, were studied the models of isothermic adsorption of chromic anions (Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich) from modified minerals. The model of isothermic that suits better in the results of experiments is the Freundlich model. Finally, according to the experimental results the most effective mineral in chromium anions adsorption was modified vermiculite. Keywords: modified natural minerals, absorption, chromate anions, ion exchange 4

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 2 ABSTRACT... 4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΟΡΥΚΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ζεόλιθος Γενικά στοιχεία Δομή Ιδιότητες Χρήσεις Βερμικουλίτης Γενικά στοιχεία Δομή Ιδιότητες Χρήσεις Περλίτης Γενικά στοιχεία Δομή Ιδιότητες Χρήσεις Μπεντονίτης Γενικά Στοιχεία Δομή Ιδιότητες Χρήσεις Ατταπουλγίτης Γενικά στοιχεία Δομή Ιδιότητες Χρήσεις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ Εισαγωγή Χρώμιο Γενικά στοιχεία Ιδιότητες Χρήσεις Χημεία Χρωμίου Τρισθενές Χρώμιο Εξασθενές Χρώμιο Χρώμιο στον ανθρώπινο οργανισμό Χρώμιο στο περιβάλλον Νομοθεσία για το χρώμιο Μόλυβδος Γενικά στοιχεία Ιδιότητες Χρήσεις Χημεία Μόλυβδου

7 2.3.5 Μόλυβδος στον ανθρώπινο οργανισμό Μόλυβδος στο περιβάλλον Νομοθεσία για τον Μόλυβδο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΧΡΩΜΙΚΩΝ ΑΝΙΟΝΤΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Μέθοδοι απομάκρυνσης χρωμικών ανιόντων Εισαγωγή Ιοντοεναλλαγή Τροποποίηση Ορυκτών Εισαγωγή Τροποποίηση ορυκτών με μόλυβδο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Εισαγωγή Υλικά και Όργανα Πειραματική Διαδικασία Προετοιμασία ορυκτών Προετοιμασία διαλυμάτων Ανάλυση πειραματικών κύκλων Βασικοί Υπολογισμοί-Θεωρητικό Υπόβαθρο Γινόμενο διαλυτότητας Μέθοδος Ατομικής Απορρόφησης (Atomic Adsorption Spectroscopy) Ανάλυση με ακτίνες Χ (X-Ray Diffraction) Ανάλυση με φθορισμό ακτινών Χ [X-Ray Fluorescence] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Χαρακτηρισμός ορυκτών με XRD Διαγράμματα XRD μη τροποποιημένων ορυκτών Διαγράμματα XRD τροποποιημένων ορυκτών Χαρακτηρισμός ορυκτών με XRF Πίνακες XRF μη τροποποιημένων ορυκτών Πίνακες XRF τροποποιημένων ορυκτών Εύρεση βέλτιστου ph τροποποίησης των ορυκτών με Pb Μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης των ορυκτών στο διάλυμα φόρτισης με κατιόντα μολύβδου (Pb 2+ ) Μελέτη της κινητικής της προσρόφησης κατιόντων μολύβδου (Pb 2+ ) από τα εξεταζόμενα ορυκτά Μετρήσεις προσρόφησης χρωμικών ανιόντων σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση των τροποποιημένων ορυκτών Μελέτη της κινητικής της προσρόφησης χρωμικών ανιόντων από τα εξεταζόμενα ορυκτά Μελέτη των ισόθερμων προσρόφησης χρωμικών ανιόντων από τα εξεταζόμενα ορυκτά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας προσρόφησης του εξασθενούς χρωμίου Cr(VI) από υδατικά διαλύματα με τη χρήση τροποποιημένων με μόλυβδο (Pb 2+ ) ορυκτών (βερμικουλίτη, ζεόλιθου, περλίτη, ατταπουλγίτη και μπεντονίτη). Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται αναφορά στα ορυκτά που χρησιμοποιήθηκαν για την απομάκρυνση των χρωμικών ανιόντων από τα διαλύματα και δίνονται στοιχεία αναφορικά με τη δομή, τις ιδιότητες και τη χρήση κάθε ορυκτού. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται μια εισαγωγή στα βαρέα μέταλλα και στη συνέχεια γίνεται αναλυτική περιγραφή για τα βαρέα μέταλλα που χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία (χρώμιο και μόλυβδος). Ειδικότερα, αναλύονται οι ιδιότητές, η χημεία, οι χρήσεις, οι επιπτώσεις τους στο περιβάλλον και στον άνθρωπο καθώς και η νομοθεσία που αφορά τα δύο αυτά βαρέα μέταλλα.. Στο τρίτο κεφάλαιο, αρχικά αναπτύσσονται οι μέθοδοι που εφαρμόζονται για την απομάκρυνση χρωμικών ανιόντων από υδατικά διαλύματα και στη συνέχεια γίνεται μια περιγραφή των τεχνικών τροποποίησης των φυσικών ορυκτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναλύεται το πειραματικό μέρος και ειδικότερα, οι μέθοδοι και οι τεχνικές οι οποίες αναπτύχθηκαν για την διεξαγωγή των πειραμάτων. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι μετρήσεις και τα πειραματικά αποτελέσματα της έρευνας και γίνεται αναλυτική επεξεργασία και συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται σύνοψη και συζήτηση των αποτελεσμάτων καθώς και παράθεση των συμπερασμάτων που προέκυψαν από την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. 7

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΟΡΥΚΤΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ορυκτό είναι ένα φυσικώς εμφανιζόμενο ομογενές στερεό, το οποίο συνήθως σχηματίζεται με ανόργανες διαδικασίες, χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό ταξινομημένης ατομικής διατάξεως, και έχει χημική σύσταση και φυσικές ιδιότητες, οι οποίες είτε είναι σταθερές είτε κυμαίνονται εντός ορισμένων ορίων. [Η1] Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκαν τα εξής ορυκτά: ατταπουλγίτης, βερμικουλίτης, ζεόλιθος, μπετονίτης και περλίτης, τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των πυριτικών ορυκτών. (Σχήμα 1.1) Τα πυριτικά ορυκτά χαρακτηρίζονται από υψηλή ικανότητα ιοντοεναλλαγής, γεγονός που τα καθιστά αποτελεσματικά για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από υγρά απόβλητα. [1]. Τα ορυκτά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιομηχανικά ορυκτά, καθώς εξορύσσονται για την εμπορική τους αξία και δεν είναι καύσιμα («ορυκτά καύσιμα») ούτε πρώτες ύλες για παραλαβή μετάλλων. Χρησιμοποιούνται στη φυσική τους μορφή ή μετά από εμπλουτισμό, ως πρώτες ύλες και πρόσθετα σε μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Ινοπυριτικά απλής αλυσίδας Si:O=1:3 Ινοπυριτικά διπλής αλυσίδας Si:O=4:11 Φυλλοπυριτικά Si:O=2:5 Σωροπυριτικά Si:O=2:7 Νησοπυριτικά Si:O=1:4 Κυκλοπυριτικά Si:O=6:18 Τεκτοπυριτικά Si:O=1:2 Α Β Γ Δ Ε Ζ Η Σχήμα 1.1: Δομή πυριτικών ορυκτών. [Η2] 1.2 Ζεόλιθος Γενικά στοιχεία Οι ζεόλιθοι, είναι ένυδρα αργιλοπυριτικά υλικά με κρυσταλλική τετραεδρική δομή που εμφανίζει κοιλότητες, οι οποίες καταλαμβάνονται από κατιόντα και μόρια νερού. Οι ζεόλιθοι ανήκουν στην ομάδα των τεκτοπυριτικών ορυκτών και διαφέρουν από αυτά καθώς τα μόρια του νερού, από κοινού με τα κατιόντα, έχουν τη δυνατότητα να μετακινούνται εντός των διαύλων του κρυστάλλου και να ανταλλάσσονται με άλλα κατιόντα, χωρίς να αλλάζει σημαντικά η δομή του πλέγματος, προσδίδοντας στους ζεόλιθους την ικανότητα της ιοντοεναλλαγής και της αφυδάτωσης. Τα φαινόμενα της 8

10 αφυδάτωσης και της ιοντοεναλλαγής στους ζεόλιθους είναι αντιστρεπτά. Στη φύση απαντώνται περισσότερα από 30 είδη ζεόλιθων από τα οποία τα 20 βρίσκονται σε ιζηματογενή αποθέματα. Οι ζεόλιθοι που εμφανίζονται συχνότερα είναι οι: κλινοπτιλόλιθος, μορδενίτης, χαβαζίτης, αναλκιμίτης, φιλλιψίτης, εριονίτης και ευλανδίτης. [2] Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιήθηκε κλινοπτιλόλιθος Δομή Βασική δομική μονάδα είναι το τετράεδρο [(Si,Al)O4]-4. Τα τετράεδρα [(Si,Al)O4]- 4 ενώνονται μεταξύ τους (με τα κοινά οξυγόνα των κορυφών τους) και σχηματίζουν πολύεδρα δημιουργώντας, ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης τους, τρισδιάστατα πλέγματα με διαύλους ή κοιλότητες γεμάτα αφενός μεν με νερό και αφετέρου με κατιόντα (Ca, Na, K) υπό ανταλλάξιμη μορφή. [Η3] Στο Σχήμα 1.2 φαίνεται η δομή του ζεόλιθου. Δεδομένου ότι κάθε οξυγόνο ανήκει σε δύο γειτονικά τετράεδρα, τα ορυκτά της ομάδας των ζεολίθων χαρακτηρίζονται από την αναλογία (Si+Al)/Ο = 1/2. Τα παραπάνω αρνητικά φορτία εξισορροπούνται από τα υπό ανταλλάξιμη μορφή κατιόντα, τα οποία συγκρατούνται χαλαρά εντός των κεντρικών κοιλοτήτων και συνήθως περιβάλλονται από μόρια νερού. Ο γενικός χημικός τύπος των ζεόλιθων είναι: MxDy[Alx+2ySin-(X+2y)O2n].mH2O, όπου: Μ= Na, Κ ή άλλα μονοσθενή κατιόντα, D=Mg, Ca, Ba ή άλλα δισθενή κατιόντα. Σχήμα 1.2: Δομή Ζεόλιθου [3] Ιδιότητες Σε αντίθεση με τα περισσότερα τεκτοπυριτικά ορυκτά η δομή των ζεόλιθων είναι αξιοσημείωτα ανοικτή, με όγκους κενών που φθάνουν το 50%. Διαθέτουν επαρκή χώρο για μεγάλου μεγέθους κατιόντα όπως το νάτριο, το κάλιο, το βάριο και το ασβέστιο, ακόμη και για μεγάλου μεγέθους μόρια και ομάδες κατιόντων όπως το νερό, τα αμμωνιακά, τα ιόντα ανθρακικού άλατος και τα ιόντα νιτρικών αλάτων. Χαρακτηρίζονται από την ικανότητα να αποβάλλουν και να προσλαμβάνουν νερό μέσα από αντιστρεπτή διαδικασία. Το νερό αποβάλλεται συνεχώς με θέρμανση μέχρι περίπου 350 ο C και επαναπροσλαμβάνεται με σταδιακή μείωση της θερμοκρασίας σε θερμοκρασία δωματίου. Τα μεγάλα κενά στη δομή τους εξηγούν τη χαμηλή πυκνότητα αυτών των μεταλλευμάτων. 9

11 Οι ζεόλιθοι χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες ιδιότητες: 1. Ικανότητα ενυδάτωσης σε υψηλό βαθμό 2. Διαθέτουν μικρή πυκνότητα και μεγάλο κενό όγκο, κατά την ενυδάτωση 3. Σταθερότητα κρυσταλλικής δομής 4. Μεγάλη ιοντοανταλλακτική ικανότητα 5. Ομοιομορφία διαύλων, μοριακού μεγέθους 6. Ικανότητα προσρόφησης (αερίων και ατμών) 7. Ικανότητα κατάλυσης [Η4] Χρήσεις Οι χρήσεις των ζεόλιθων οφείλονται στις ξεχωριστές ιδιότητές τους και είναι πάρα πολλές. Ειδικότερα: Χημεία: Μπορούν επιλεκτικά να δεσμεύσουν ιόντα μέσα στις δομικές κοιλότητές τους (μοριακά κόσκινα). Μερικοί ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται ως μοριακά κόσκινα για την απομάκρυνση προσμίξεων ύδατος και νιτρικών από το φυσικό αέριο. Βιομηχανία καταλυτών: Μπορούν να δεσμεύσουν μεγάλα μόρια και να επιτύχουν τη θραύση του σε μικρότερα τμήματα. Για παράδειγμα, οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται για τη διάσπαση μεγάλων οργανικών μορίων που βρίσκονται στο πετρέλαιο σε μικρότερα μόρια που αποτελούν τη βενζίνη (καταλυτική διάσπαση). Φίλτρα: Μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το νερό για να απορροφήσουν ή να απελευθερώσουν ιόντα (ιοντοεναλλαγή). Οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται ως αποσκληρυντικά νερού, για να αφαιρέσουν ιόντα ασβεστίου, τα οποία αντιδρούν με το σαπούνι στον σχηματισμό αφρού. Το νερό φιλτράρεται με ζεόλιθο που περιέχει ιόντα νατρίου, ο οποίος δεσμεύει το ασβέστιο απελευθερώνοντας ιόντα νατρίου. Όταν ο ζεόλιθος δεν μπορεί να δεσμεύσει άλλο ασβέστιο, μπορεί να αναγεννηθεί μέσω έκπλυσης με κορεσμένο διάλυμα χλωριούχου νατρίου (αποβάλλοντας τα ιόντα ασβεστίου και αντικαθιστώντας τα ξανά με ιόντα νατρίου). Περιβάλλον: Οι ζεόλιθοι συμβάλλουν σε ένα καθαρότερο και ασφαλέστερο περιβάλλον με πολλούς τρόπους. Χρησιμοποιούνται στον εμπλουτισμό της ατμόσφαιρας σε οξυγόνο λόγω της εκλεκτικής ικανότητας τους να προσροφούν το άζωτο από την ατμόσφαιρα. Επίσης, στα απορρυπαντικά σκόνης, οι ζεόλιθοι αντικαθιστούν τα επιβλαβή φωσφορικά άλατα. Ακόμη, χρησιμοποιούνται για την προσρόφηση επιβλαβών οργανικών ουσιών που περιέχονται στο νερό, και στην απομάκρυνση των ιόντων βαρέων μετάλλων. Στην ταφή ραδιενεργών αποβλήτων: Στις πυρηνικές εγκαταστάσεις Hanford στο Richland, της Ουάσιγκτον, ραδιενεργό στρόντιο-90 (SR 90) και καίσιο-137 (καίσιο 137) έχουν αφαιρεθεί από διαλύματα ραδιενεργών αποβλήτων μέσω της διέλευσής τους από δεξαμενές φυσικού ζεόλιθου (κλινοπτιλόλιθου). Ζεόλιθοι επίσης έχουν χρησιμοποιηθεί για την απορύπανση ραδιενεργών αποβλήτων από τις πυρηνικές εγκαταστάσεις του Three Mile Island και αλλού. Οι φυσικοί ζεόλιθοι είναι τα αποτελεσματικότερα φίλτρα που έχουν βρεθεί για την απορρόφηση του διοξειδίου του θείου από τα αέρια αποβλήτων. 10

12 Δεδομένου ότι οι προσπάθειες να βελτιωθεί η ατμοσφαιρική ποιότητα συνεχίζονται, οι ζεόλιθοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν να καθαρίσουν τα αέρια από τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας που καίνε άνθρακα υψηλής περιεκτικότητας θείου. Τρόφιμα: Οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται επίσης στην υδρογόνωση των φυτικών ελαίων και σε πολλές άλλες βιομηχανικές διαδικασίες που περιλαμβάνουν οργανικές ενώσεις. Χρησιμοποιούνται επίσης στις ιχθυοκαλλιέργειες. Ιατρική: Ο κλινοπτιλόλιθος ευνοεί την παραγωγή αντισωμάτων με επακόλουθη την αναστολή της εκδήλωσης ορισμένων ασθενειών. Μειώνει τα αμμωνιακά επίπεδα στο αίμα. Απομακρύνει τις τοξικές ουσίες από τον οργανισμό. Παρουσιάζει αντιβακτηριακή δράση, αντικαρκινική και αντιική δράση. Φυσικά πυριτικά ορυκτά, συμπεριλαμβανομένου του ζεόλιθου (κλινοπτιλολίθου), έχει αποδειχθεί ότι παρουσιάζουν διάφορες βιολογικές δράσεις και έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς ως βοηθητικά εμβολίων. Μια νέα χρήση πολύ λεπτόκοκκου ζεόλιθου (κλινοπτιλολίθου) είναι η πιθανή βοηθητική του δράση στην αντικαρκινική θεραπεία. Εργαστηριακές μελέτες σε ιστοκαλλιέργειες έδειξαν ότι ο λεπτόκοκκος κλινοπτιλόλιθος εμποδίζει την πρωτεϊνική κινάση B, προκαλεί την δράση των αντικαρκινικών πρωτεϊνών και σταματάει την αύξηση διάφορων καρκινικών κυττάρων. [Η4] 1.3 Βερμικουλίτης Γενικά στοιχεία Ο βερμικουλίτης (Vermiculite) εντάσσεται στα πυριτικά ορυκτά και συγκεκριμένα στην υποομάδα των φυλλοπυριτικών ορυκτών (phyllosilicates). Καθώς τα φυλλοπυριτικά ορυκτά κατηγοριοποιούνται, ο βερμικουλίτης κατατάσσεται στην ομάδα των αργίλων (clay minerals) με γενικότερο χημικό τύπο: (ΟΗ) 4 (Μg Ca) X (Si 8-X Al X )(Mg Fe) 6 O 20 yh 20 όπου x = και y = περίπου 8. Σε μια πιο δομική κατάταξη των αργίλων, ο βερμικουλίτης ανήκει στους κρυσταλλικούς αργίλους με φυλλοειδή δομή, η οποία αποτελείται από δύο στρώματα τετραέδρων πυριτίου και ένα κεντρικό διοκταεδρικό ή τριοκταεδρικό στρώμα (τύπος τριών στρωμάτων) με τη διαστολή του κρυσταλλικού πλέγματος του βερμικουλίτη να συμβαίνει ισοδιάστατα.ο βερμικουλίτης συναντάται παντού στον κόσμο αλλά τα σημαντικότερα σημεία εξόρυξής του σήμερα βρίσκονται στη Νότιο Αφρική, Κίνα, Ζιμπάμπουε, Βραζιλία και Η.Π.Α.[4] Δομή Στη δομή του έχει δύο τετράεδρα Si με ένα ενδιάμεσο φύλλο οκταέδρου Al. Στα οκτάεδρα Al υπάρχει ισόμορφη αντικατάσταση του Mg 2+ από Al ή Fe 2+. Χαρακτηριστικό του βερμικουλίτη είναι ότι δεσμεύει ενδοστοιβαδικό K + και το καθιστά μη διαθέσιμο για τη θρέψη των φυτών. Ο βερμικουλίτης αποτελείται από φύλλα τριοκταεδρικής μίκας (ή τάλκη) διαχωριζόμενα από στρώματα μορίων νερού, 11

13 τα οποία καταλαμβάνουν ένα συγκεκριμένο χώρο της τάξης των 4,98Α, που είναι περίπου το πάχος δύο μορίων νερού. Στη φυσική του μορφή, το ορυκτό αποτελείται από μια αλλοιωμένη μορφή μίκας και διπλά στρώματα νερού. Η δομή του χαρακτηρίζεται από ανεπάρκεια φορτίου και είναι ανισόρροπη λόγω των αντικαταστάσεων Si 4+ από Al 3+. Η ανεπάρκεια φορτίου εξαλείφεται από κατιόντα τα οποία βρίσκονται κυρίως μεταξύ των στρωμάτων μίκας και είναι ιδιαίτερα εναλλάξιμα. Στο φυσικό ορυκτό, το κατιόν που εξισορροπεί την ανεπάρκεια φορτίου είναι το Mg 2+ με την παρουσία, μερικές φορές μικρής ποσότητας Ca 2+. Με τη θέρμανση του βερμικουλίτη σε θερμοκρασία 500 ο C, το νερό ανάμεσα στα στρώματα μίκας απομακρύνεται, αλλά το ορυκτό ενυδατώνεται πολύ σύντομα με την έκθεση του σε υγρασία σε θερμοκρασία δωματίου. Το νερό υπάρχει σε δύο μορφές, δεσμευμένο και αδέσμευτο. Το δεσμευμένο νερό υπάρχει γύρω από το μαγνήσιο ως ένας φάκελος ενυδάτωσης από έξι μόρια νερού ανά Μg 2+, και το πιθανότερο παίρνει τη μορφή μιας οκταεδρικής ομάδας. Το αδέσμευτο νερό γεμίζει τα κενά μεταξύ των οκταεδρικών μονάδων νερού. Η δομή του βερμικουλίτη φαίνεται στο Σχήμα 1.3. Η ιοντοεναλλακτική χωρητικότητα του βερμικουλίτη παρουσιάζεται η υψηλότερη από όλα τα αργιλοπυριτικά ορυκτά. Η ικανότητα ιοντοεναλλαγής των αργίλων οφείλεται σε τρεις λόγους: η ύπαρξη σπασμένων δεσμών γύρω από τις άκρες των πυριτικών μονάδων, κάτι που δημιουργεί πλεόνασμα φορτίου το οποίο εξουδετερώνεται από κατιόντα τα οποία προσροφώνται. οι αντικαταστάσεις ιόντων που λαμβάνουν χώρα στο κρυσταλλικό πλέγμα και πιο συγκεκριμένα, στο τεραεδρικό στρώμα γίνεται αντικατάσταση τετρασθενούς πυριτίου με ιόντα τρισθενούς αργιλίου και στο οκταεδρικό στρώμα γίνονται αντικαταστάσεις ιόντων αργιλίου με ιόντα μικρότερου σθένους, κυρίως μαγνησίου. η αντικατάσταση υδρογόνων κάποιων εκτεθειμένων υδροξονίων από κατιόντα, τα οποία είναι εναλλάξιμα. Σχήμα 1.3: Η δομή του βερμικουλίτη. [Η5] 12

14 1.3.3 Ιδιότητες Ο βερμικουλίτης χαρακτηρίζεται από υψηλή ικανότητα ιοντοεναλλαγής, ενώ ο όγκος του είναι δυνατόν να αυξηθεί ως και 100 φορές σε σχέση με τον αρχικό του, όταν το ορυκτό θερμαίνεται. Άλλες ιδιότητες του βερμικουλίτη είναι οι ακόλουθες: Ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων αρκετά υψηλή (65-140meq/100g), που σημαίνει ότι μπορεί να αποθηκεύει θρεπτικά στοιχεία Ειδικό βάρος g/cm3, πορώδες 96%, ph Όταν χρησιμοποιηθεί μαζί με τύρφη και άμμο στα υποστρώματα φυτικών καλλιεργειών μειώνει την απώλεια αζώτου, φωσφόρου και καλίου λόγω απορροής Σε μίγμα με τύρφη παρέχει την δυνατότητα συγκράτησης και απόδοσης μεγάλων ποσοτήτων νερού ( μέχρι και 35% του βάρους του σε νερό). [4] Χρήσεις Ο μη επεξεργασμένος βερμικουλίτης χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό του νερού π.χ. για την προσρόφηση τοξικών μετάλλων, όπως Cr, Cu, Pb, Zn, Cd. Ο θερμικά επεξεργασμένος βερμικουλίτης χρησιμοποιείται σε ορισμένους τομείς της βιομηχανίας, στις οικοδομικές εργασίες, στη γεωργία και στο περιβάλλον. Παρασκευάζεται με έντονη θέρμανση στους 800 ο C, μέσω της οποίας επιτυγχάνεται μια πολλαπλή διαστολή του όγκου του υλικού. Οι χρήσεις του θερμικά επεξεργασμένου βερμικουλίτη εξαρτώνται απ το μέγεθος των κόκκων του υλικού και κατά συνέπεια από το βαθμό μηχανικής άλεσης που έχει υποστεί. 1.4 Περλίτης Γενικά στοιχεία Ο περλίτης είναι ένα ηφαιστειογενές υαλώδες αργιλοπυριτικό πέτρωμα του οποίου η γενεσιουργός αιτία είναι η όξινη λάβα, που εγχύθηκε επιφανειακά ή υποθαλάσσια κατά την διάρκεια ηφαιστειακών δραστηριοτήτων. Η τελευταία στην συνέχεια ψύχθηκε και στερεοποιήθηκε ταχύτατα, υπό συνθήκες που δεν επέτρεψαν στα άτομα του ορυκτού να τοποθετηθούν σε σχηματισμούς κρυσταλλικού πλέγματος, γεγονός που έδωσε τελικά στον περλίτη την υαλώδη μορφή του. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας που επέδρασε για τον σχηματισμό του περλίτη ήταν η παρουσία νερού και διαφόρων αερίων που παγιδεύτηκαν στην μάζα του, την στιγμή της ψύξης και στερεοποίησης του. Το όνομα προέρχεται από την υφή του που χαρακτηρίζεται από την παρουσία κόκκων, θυμίζοντας μικρά μαργαριτάρια (πέρλες). Πετρογραφικά ο περλίτης είναι ένα ηφαιστειογενές υλικό. [Η7] Δομή Ο περλίτης είναι άμορφο ηφαιστειακό γυαλί με σχετικά υψηλή περιεκτικότητα σε νερό. Η δομή του φαίνεται στο Σχήμα 1.4. Βρίσκεται στη φύση και έχει την ασυνήθιστη ιδιότητα να διογκώνεται όταν βρεθεί σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία. 13

15 Σε θερμοκρασία από C ο περλίτης μαλακώνει (δεδομένου ότι είναι γυαλί) και το νερό, το οποίο είναι παγιδευμένο στην δομή του, διαφεύγει γεγονός που οδηγεί στη διόγκωση του υλικού από 7 έως 15 φορές. Ο διογκωμένος περλίτης έχει λευκό χρώμα, λόγω της ανακλαστικότητας των παγιδευμένων φυσαλίδων. Η φαινόμενη πυκνότητα του αδιόγκωτου περλίτη είναι περίπου 1100kg/m³ (1.1g/cm³). Αντίστοιχα η φαινόμενη πυκνότητα του διογκωμένου περλίτη είναι μεταξύ των τιμών kg/m³ ( g/cm³). [Η6] Σχήμα 1.4: Η δομή του περλίτη όπως φαίνεται από τη σάρωση ενός ηλεκτρονιακού μικροσκοπίου σε ένα πυριτικό ορυκτό που περιέχει περλίτη. [Η8] Ιδιότητες Η υφή του περλίτη αποτελεί ίσως το σημαντικότερο φυσικό χαρακτηριστικό του, αφού αποτελεί το κυριότερο κριτήριο αναγνώρισης και ποικίλει από ανοιχτόχρωμη αφρώδη (σαν της ελαφρόπετρας) έως λεπτόκοκκη περλιτική. Το χρώμα του φυσικού περλίτη ποικίλει από μαύρο έως λευκό με πιο συνηθισμένες τις αποχρώσεις του γκρίζου. Το ειδικό βάρος του φυσικού πετρώματος ποικίλει από 2,36 g/cm 3 μοιάζοντας αρκετά με αυτό του γυαλιού, έως 1,2 g/cm 3 πλησιάζοντας σε τιμή το ειδικό βάρος της ελαφρόπετρας. Το ειδικό βάρος του περλίτη που εξορύσσεται στα Ελληνικά λατομεία κυμαίνεται μεταξύ 2.3 με 2,4 g/cm 3. Η σκληρότητα του περλίτη παρουσιάζει διακυμάνσεις, από εξαιρετικής σκληρότητας ορυκτά μέχρι πετρώματα πολύ μαλακά και ψαθυρά. Η μεγάλη σημασία της ψαθυρότητας του περλίτη φαίνεται στο στάδιο της κονιοποίησης του πετρώματος σε μύλους, με στόχο τη δημιουργία κόκκων. 14

16 Επιπλέον ο περλίτης παρουσιάζει τα παρακάτω χαρακτηριστικά, που του προσδίδουν την ικανότητα να έχει τεράστια ποικιλία εφαρμογών : 1) Φυσική σταθερότητα 2) Χημική αδράνεια 3) Καθαρότητα και απουσία οσμών 4) Χαμηλό ειδικό βάρος 5) Θερμομονωτικές και ηχομονωτικές ιδιότητες 6) Ασφάλεια και ευκολία στη χρήση 7) Ουδέτερο pη 8) Βέλτιστος αερισμός και διατήρηση υγρασίας στις ρίζες για υπέργειες καλλιέργειες 9)Αποστειρωμένο υλικό Με βάση την περιεκτικότητα του σε SiO 2 (70-75%) ο περλίτης κατατάσσεται στα όξινα πυριγενή πετρώματα. Το κυρίως πτητικό υλικό του περλίτη είναι το νερό, το οποίο βρίσκεται σε ποσοστό 3-5% και είναι παγιδευμένο στη δομή του. Το νερό του περλίτη υπάρχει σε δύο μορφές: ως μοριακό νερό και στη μορφή υδροξυλίων. Η αναλογία των δύο μορφών νερού ποικίλει και εξαρτάται από τον τρόπο δημιουργίας του περλίτη. Πιστεύεται, ότι η σύσταση του περλίτη και ιδιαίτερα το ποσοστό MgO και του CaO επηρεάζει τον ρυθμό με τον οποίο ενυδατώνεται. Η περλιτική υφή οφείλεται στη διάχυση του μοριακού νερού στην ηφαιστειακή ύαλο Χρήσεις Το πεδίο εφαρμογών του περλίτη είναι τεράστιο και ολοένα διευρύνεται. Όλες όμως σχεδόν οι χρήσεις αφορούν τον διογκωμένο περλίτη που συνδυάζει ένα πλήθος ιδιοτήτων: μικρό μοριακό βάρος, τεράστια ειδική επιφάνεια και πορώδες, δυνατότητα κατεργασίας της επιφάνειας του περλίτη και μετατροπή της σε υδρόφοβη. Ως υλικό χαμηλής πυκνότητας με εξαιρετικές ιδιότητες θερμομόνωσης και ηχομόνωσης, ο διογκωμένος περλίτης χρησιμοποιείται γενικά για την κατασκευή δομικών υλικών, επιχρισμάτων, καθώς και ως ελαφρύ σκυρόδεμα. Λόγω της ελεύθερης ροής του, η έγχυση περλίτη στις κοιλότητες θεωρείται εύκολη κι ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό πληρώσεως δαπέδων, ρωγμών και για τη δημιουργία ρύσεων στην οροφή. Παράλληλα, αποτελεί εξαιρετικό υλικό για την επισκευή οροφών, παρέχοντας επιπλέον μόνωση και αποστράγγιση. Επιπρόσθετα, με εξαιρετικές ιδιότητες θερμομόνωσης, ο περλίτης έχει χαμηλό κόστος, εύκολη εφαρμογή και δεν αλλάζει η μορφή του. Τέλος, μειώνει την μετάδοση του ήχου και έχει προστατευτικές ιδιότητες από την σκουριά και τους τερμίτες. Ο περλίτης είναι επίσης ιδανικός για μονώσεις χαμηλών θερμοκρασιών και κρυογενικού τύπου δοχείων. Η προσθήκη περλίτη στην γυψοκονία ή τσιμεντοκονία προσδίδει ελαφρότητα στο τελικό προϊόν, χαμηλότερο συντελεστή γραμμικής διόγκωσης, μεγαλύτερη ελαστικότητα, καλύτερη συγκόλληση στην επιφάνεια επίστρωσης και βελτιωμένες δυνατότητες κατεργασίας με σημαντική βελτίωση της θερμομόνωσης και της ηχομόνωσης του κτιρίου. Άλλες κατασκευαστικές εφαρμογές περιλαμβάνουν υπόγειες μονώσεις, εσωτερικές κατασκευές καμινάδων, συστατικό χρώματος, κατασκευή γυψοσανίδων, καλυμμάτων οροφής και μονωτικών βάσεων. 15

17 Στις κηπευτικές εφαρμογές ο περλίτης χρησιμοποιείται παγκοσμίως ως συστατικό για ειδικά μείγματα χώματος κυρίως με τύρφη για τη δημιουργία του κατάλληλου υποστρώματος ανάπτυξης των φυλλωδών και ανθοφόρων καλλωπιστικών φυτών σε γλάστρες. Η επιτυχία του στη συγκεκριμένη περίπτωση οφείλεται στο συνδυασμό πολλαπλών ιδιοτήτων: παρέχει στα ριζικά την ιδανική αναλογία αέρα και νερού καθ όλη τη διάρκεια του έτους και παρουσιάζει τις ιδανικότερες συνθήκες στράγγισης. Έρευνες έχουν δείξει πως τα υδροπονικά συστήματα βασισμένα σε περλίτη έχουν εξαιρετικές αποδόσεις. Άλλα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει ο περλίτης στις κηπευτικές εφαρμογές είναι το ουδέτερο ph του και το γεγονός ότι δεν επιτρέπει την ανάπτυξη αγριόχορτων. Όσο αφορά τις βιομηχανικές εφαρμογές του περλίτη, ο διογκωμένος περλίτης είναι ένα αποτελεσματικό και φτηνό μέσο διήθησης υγρών που χαρακτηρίζεται από μεγάλο πορώδες, χημική καθαρότητα, σταθερότητα, αδιαλυτότητα και αδράνεια. Ο διαβαθμισμένος περλίτης χρησιμοποιείται συχνά σε εργοστάσια φωσφορικού οξέως με στόχο την αύξηση της παραγωγικότητας της διεργασίας διήθησης μετά τον αντιδραστήρα καθώς επίσης και την κατακράτηση των αερίων HF με αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση της διάβρωσης και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τις εκπομπές του ΗF στην ατμόσφαιρα. Ο περλίτης έχει πολλαπλές εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας σε χυτήρια και χαλυβουργεία, ιδίως ως μέσο πήξεως σκωρίας και κάλυψης της χοάνης. Ο διογκωμένος περλίτης χρησιμοποιείται ως μονωτικό συστατικό επιχρισμάτων για υψηλής ποιότητας χύτευση και ως συστατικό σε εξωθερμικούς δακτυλίους σωληνώσεων. [Η7] 1.5 Μπεντονίτης Γενικά Στοιχεία Μπεντονίτες καλούνται οι άργιλοι που περιέχουν το ορυκτό μοντμοριλλονίτη σε αναλογία άνω των 80 %. Οι μπετονίτες χαρακτηρίζονται από πλαστικότητα και είναι κολλοειδείς, τόσο που μπορούν να προσροφούν μεγάλη ποσότητα νερού και φέρουν τη χαρακτηριστική ιδιότητα της αύξησης του αρχικού τους όγκου (διόγκωσης). Οι μπεντονίτες διακρίνονται κυρίως σε δύο κατηγορίες: διογκούμενους, οι οποίοι προσροφούν ικανές ποσότητες νερού και διογκώνονται μέχρι του 20πλάσιου του αρχικού ξηρού όγκου τους ή σε περίσσεια νερού παραμένουν σε αιώρηση μη διογκούμενους, οι οποίοι προσροφούν μεν περισσότερο νερό σε σχέση με άλλες πλαστικές αργίλους, δεν διογκώνονται όμως σε αξιόλογο βαθμό και καθιζάνουν εντός του νερού πολύ γρήγορα. Μεταξύ αυτών των δύο κατηγοριών υπάρχουν στη φύση πολλές ενδιάμεσες μεταβατικές μορφές από τη μια κατηγορία στην άλλη. Η διαφορά τους έγκειται κυρίως στη σχέση των περιεχομένων οξειδίων του αργιλίου προς τα αλκάλια. Όσο η περιεκτικότητα των αλκαλίων αυξάνεται, με αντίστοιχη μείωση των οξειδίων αργιλίου, σιδήρου κλπ, τόσο εντονότερη γίνεται η ιδιότητα της διόγκωσης και αντιστρόφως.[5] 16

18 1.5.2 Δομή Ο μπετονίτης συντίθεται από μονάδες αποτελούμενες από δύο φύλλα τετραέδρων πυριτίου με ένα κεντρικό φύλλο οκταέδρων αργιλίου. Οι κορυφές όλων των τετραέδρων έχουν την ίδια διεύθυνση, προς το κέντρο της μονάδας. Τα φύλλα των τετραέδρων και οκταέδρων συνδυάζονται έτσι ώστε οι κορυφές των τετραέδρων κάθε φύλλου SiO 4 και ένα από τα στρώματα υδροξυλίων του φύλλου οκταέδρων να δημιουργούν ένα κοινό στρώμα. Τα άτομα που είναι κοινά στο στρώμα τετραέδρων και οκταέδρων μετατρέπονται σε Ο αντί ΟΗ. Τα στρώματα είναι συνεχόμενα προς τις α και b κατευθύνσεις, ενώ είναι προσκολλημένα το ένα πάνω στο άλλο προς την c κατεύθυνση. Το νερό και άλλα πολικά μόρια έχουν τη δυνατότητα να διεισδύσουν μεταξύ των στρωμάτων των μονάδων προκαλώντας τη διόγκωση του πλέγματος του μοντμοριλλονίτη προς τη -c κατεύθυνση. Μεταξύ των μονάδων πυριτικών τετραέδρων εμφανίζονται εναλλάξιμα κατιόντα με αποτέλεσμα η διάσταση του c άξονα του αφυδατωμένου μοντμοριλλονίτη να εξαρτάται από το μέγεθος του ενδιάμεσου στρώματος κατιόντων αυξανόμενη όσο αυξάνεται και το μέγεθος του κατιόντος.[7] Η δομή του μπετονίτη φαίνεται στα Σχήματα 1.5 και 1.6. Σχήμα 1.5: Τρισδιάστατη απεικόνιση της δομής του μπετονίτη [6] Σχήμα 1.6: Απεικόνιση των τριών φύλλων που δομούν τον μπετονίτη. [Η9] 17

19 1.5.3 Ιδιότητες Στα βαθύτερα στρώματα του υπεδάφους, ο μπεντονίτης είναι κυανοπράσινος, ενώ στην επιφάνεια του εδάφους παρουσιάζεται κιτρινοπράσινος ή τεφρός και μετά από ξήρανση αποκτά ανοικτόχρωμα χρώματα. Οι διογκούμενοι μπεντονίτες είναι πορώδεις, ενώ οι μη διογκούμενοι μοιάζουν με το δέρμα κροκόδειλου.ο μπεντονίτης, όταν βυθίζεται σε νερό ή άλλα υγρά, διασκορπίζεται σε κολλοειδή τεμαχίδια μεγέθους μm και διογκώνεται από 15 έως 30 φορές του αρχικού ξηρού βάρους του αυξάνοντας το ιξώδες και τη θιξοτροπία του υγρού. Έχει μεγάλη προσροφητική ικανότητα και η διόγκωση του είναι αναστρέψιμη. Αυτές οι ιδιότητες χρησιμοποιούνται στους πολφούς γεωτρήσεων για να προκαλέσουν αιώρηση των θρυμμάτων γεώτρησης και να δημιουργήσουν αδιαπέραστο επικάλυμμα στα τοιχώματα των γεωτρήσεων, εμποδίζοντας έτσι τη μετανάστευση υγρών ή αέριων. Ο μπεντονίτης μπορεί να αποτελεί το 2-5% κ.β. ενός υδάτινου πολφού γεώτρησης που χρησιμοποιείται σε γεωτρήσεις μικρού έως μέσου βάθους. Όμως, για γεωτρήσεις μεγάλου βάθους (υψηλότερες θερμοκρασίες) και μεγάλης κλίσης, χρησιμοποιείται φυσικός ή συνθετικός μπεντονίτης σε αναλογία 1-2% κ.β. για την παρασκευή ελαιοπολφού γεώτρησης.ο μπετονίτης είναι το φθηνότερο από όλα τα υλικά ξήρανσης και είναι πολύ αποτελεσματικός σε θερμοκρασίες μικρότερες από 50 C προσροφώντας υδρατμούς μέχρι 40% του βάρους του σε υγρασία 100%. [7][8] Χρήσεις Οι πιο βασικές χρήσεις που έχει ο μπετονίτης είναι: Προσροφητικό υλικό για την απομάκρυνση ανεπιθύμητων ουσιών σε διάφορες διεργασίες και προσροφητικό πρόσθετο σε προϊόντα Συνδετικό υλικό Καταλύτης Σταθεροποιητικό εδάφους και πηγή αποθήκευσης θρεπτικών συστατικών και υγρασίας Στεγανοποίηση των χώρων υγειονομικής ταφής απορριμμάτων όσο και για την ταφή ραδιενεργών αποβλήτων Επεξεργασία υδάτων και βιομηχανικών αποβλήτων μέσω της δέσμευσης βαρέων μετάλλων και/η οργανικών ρυπαντών Επίσης, ο μπεντονίτης χρησιμοποιείται για πολφούς γεωτρήσεων στην έρευνα και παραγωγή πετρελαίου και φυσικού αερίου, στην παρασκευή αντιόξινων δισκίων ή εκδόχων φαρμακευτικών προϊόντων, αποξεστικών καθαριστικών, υλικών ξήρανσης ή πήκτωσης και προϊόντων σωματικής περιποίησης. [8] 18

20 1.6 Ατταπουλγίτης Γενικά στοιχεία Ο ατταπουλγίτης είναι ένα ένυδρο αργιλοπυριτικό ορυκτό και χαρακτηρίζεται από σύνθετη σύσταση πλούσια σε πυριτικά άλατα μαγνησίου και αργιλίου, με ιδιαίτερα ανοικτή δομή και επιμήκεις κρυστάλλους. Ο χημικός τύπος του ατταπουλγίτη είναι: Mg 1.5 A l0.5 Si 4 O 10 (OH) 4(H 2 O) Ο ατταπουλγίτης είναι πλούσιος σε μαγνήσιο και εμφανίζεται συνήθως με ινώδηεπιμήκη μορφή. Σχηματίζεται κάτω από ειδικές συνθήκες με παρουσία διαλυμάτων πλούσιων σε μαγνήσιο όπως είναι οι πυθμένες των αλμυρών λιμνών ή από την αποσάθρωση σερπεντινικών πετρωμάτων. Σε μικρές ποσότητες βρίσκονται σε σύγχρονους θαλάσσιους πηλόλιθους που συνδέονται με ηφαιστειακή δραστηριότητα. [4] Δομή Το ορυκτό ατταπουλγίτης (ή παλιγορσκίτης) αποτελεί σημαντικό βιομηχανικό, αργιλικό ορυκτό λόγω της ιδιαίτερης κρυσταλλικής του δομής (Σχήμα 1.7). Πρόκειται για φυλλοπυριτικό ορυκτό (2:1), που παρουσιάζει ενδιάμεση διοκταεδρική και τριοκταεδρική δομή. Το πλέγμα του αποτελείται από συνεχείς, αλυσίδες τετραέδρων SiO4, που εκτείνονται παράλληλα στον x-άξονα (ινώδηςδομή) και ενώνονται με ανεστραμμένους δεσμούς Si-O-Si, δημιουργώντας ένα συνεχές τετραεδρικό και ένα ασυνεχές οκταεδρικό φύλλο. Οι οκταεδρικές θέσεις καταλαμβάνονται κύρια από ιόντα Mg 2+ με μερική αντικατάσταση από Al 3+ ή Fe 3+. Η ασυνεχής οκταεδρική δομή, δημιουργεί ελεύθερα κανάλια (free channels), που πληρώνονται με μόρια ζεολιθικού νερού. Ο συνδυασμός ινώδους δομής, καναλιών, μικροπόρων (διαμέτρου 200 Å) και χαμηλής κοκκομετρίας εξασφαλίζει μεγάλη ειδική επιφάνεια στο ορυκτό, καθιστώντας τον ισχυρά προσροφητικό υλικό ακόμα και στη φυσική του μορφή.[9] Σχήμα 1.7: Η δομή του ατταπουλγίτη 19

21 1.6.3 Ιδιότητες Ο ατταπουλγίτης είναι αργιλικό ορυκτό με δομή τύπου αλυσίδας, σχηματίζοντας βελονοειδείς ή ελασματοειδείς κρυστάλλους παρά λεπιδοειδείς (μπεντονίτης) ή πλακώδεις (καολίνης). Έτσι, όταν διασπείρεται, οι βελονοειδείς ελασματοειδείς κρύσταλλοι (1μm μήκος, 0,01μm πλάτος) είναι αδρανείς και δεν διογκώνονται, αλλά σχηματίζουν ένα τυχαίας διάταξης δικτυωτό πλέγμα παγιδεύοντας υγρά και παρέχοντας πυκνωτικές, ανασταλτικές και θιξοτροπικές (κολλοειδείς) ιδιότητες. Αντίθετα προς το νατριούχο μπεντονίτη, ο ατταπουλγίτης δεν κροκιδώνεται από ηλεκτρολύτες και είναι σταθερός σε υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να είναι κατάλληλος για χρήση ως πολφοί γεώτρησης όταν το νερό είναι πλούσιο σε άλατα ή ακόμη και σε γεωτρήσεις γεωθερμικών πηγών. Ο ατταπουλγίτης έχει μια εξαιρετική πορώδης δομή και το χαλαρά συγκροτημένο νερό του μπορεί να απομακρυνθεί μέσω θέρμανσης. Υπάρχει μία γενική σειρά για την ικανότητα προσρόφησης του ατταπουλγίτη που είναι: νερό > αλκοόλες > οξέα > αλδεϋδες > κετόνες > ολιφίνες > φυσικοί εστέρες > αρωματικές ενώσεις > κυκλοπαραφίνες > παραφίνες [αποχρωματιστικά λάδια]. [10] Χρήσεις Η πορώδης υφή και η μεγάλη περιοχή επιφάνειας του ατταπουλγίτη τον καθιστά κατάλληλο υλικό για την προσρόφηση υγρών καθώς και βαρέων μετάλλων. Επίσης λόγω της πορώδης υφής του χρησιμοποιείται ως απορρυπαντικό για την απομάκρυνση λιπών και ελαίων, όπως χρησιμοποιείται και ως αποχρωστική γαία λιπαντικών και παραφινών κάτι το οποίο το καθιστά χρήσιμο σε ραφιναρίες και σε διυλιστήρια. Χάρη στις κολλοειδής του ιδιότητες ο ατταπουλγίτης μπορεί να σχηματίζει πηκτώματα με αποτέλεσμα μα αποτέλεσμα να βρίσκει εφαρμογή σε βαφές ελαιοχρωματισμού, συγκολλητικά και σφραγιστικά υλικά. Χρησιμοποιείται επίσης ως πληρωτικό υλικό στην παραγωγή χαρτιού, ελαστικών και πολυμερών. [10] 20

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΡΕΑ ΜΕΤΑΛΛΑ 2.1 Εισαγωγή Τα βαρέα μέταλλα είναι φυσικά συστατικά του φλοιού της γης. Δε μπορούν να διασπαστούν σε απλούστερες μορφές ή να καταστραφούν. Σε μικρή έκταση εισάγονται στον ανθρώπινο οργανισμό μέσω των τροφίμων, του πόσιμου νερού και του αέρα. Εντούτοις, σε υψηλότερες συγκεντρώσεις μπορούν να είναι τοξικά. Τα βαρέα μέταλλα είναι επικίνδυνα, επειδή τείνουν να βιοσυσσωρεύονται. Βιοσυσσώρευση σημαίνει αύξηση στη συγκέντρωση μιας χημικής ουσίας σε έναν βιολογικό οργανισμό με την πάροδο του χρόνου συγκρινόμενη με τη συγκέντρωση της χημικής ουσίας στο περιβάλλον. Οι ενώσεις συσσωρεύονται στα έμβια όντα οποτεδήποτε λαμβάνονται και αποθηκεύονται γρηγορότερα από ότι διασπώνται (μεταβολίζονται) ή εκκρίνονται. Ο όρος βαρέα μέταλλα συνήθως αναφέρεται στα μέταλλα με ατομικό αριθμό μεταξύ του 21 (Σκάνδιο, Sc) και του 84 (Πολώνιο, Ρο), ενώ ο όρος, συχνά αναφέρεται και για τα μέταλλα που έχουν ειδικό βάρος μεγαλύτερο του σιδήρου. Το αλουμίνιο (ατομικός αριθμός 13) και τα μεταλλοειδή Αρσενικό και Σελήνιο (ατομικοί αριθμοί 33 και 34) περιλαμβάνονται συχνά στη γενικευμένη τάξη των ρυπογόνων ουσιών. Τα βαρέα μέταλλα διαφέρουν από τους ανθρωπογενείς ρύπους, διότι συχνά απαντώνται στο περιβάλλον ως αποτέλεσμα φυσικών διεργασιών, όπως η αποσάθρωση πετρωμάτων και ορυκτών. Είναι συντηρητικοί ρύποι, δηλαδή η συνολική τους μάζα παραμένει σταθερή παρόλο που μπορεί να αλλάξει η χημική τους μορφή. Σε αντίθεση με τις τοξικές οργανικές ενώσεις, τα βαρέα μέταλλα δεν μπορούν να μετατραπούν σε αβλαβή προϊόντα. Ακόμη τα πτητικά μέταλλα (Cd, Zn, Hg, Pb) εκπέμπονται από αέρια καπνοδόχων και οι ιπτάμενες τέφρες περιέχουν αξιοσημείωτες συγκεντρώσεις από As, Se και Cr, τα οποία μπορούν να κατακρημνιστούν σε επιφανειακά ύδατα και εδάφη με ξηρή απόθεση. Η τοξική δράση των βαρέων μετάλλων στους ζώντες οργανισμούς οφείλεται στη δηλητηρίαση των ενζυμικών συστημάτων κατά το σχηματισμό χημικών ενώσεων των μεταλλοϊόντων με τις δραστικές ομάδες των οργανικών μορίων των ενζύμων. Στο Σχήμα 2.1 φαίνεται η συμβολή των βαρέων μετάλλων στη βιοσυσσώρευση, καθώς δεσμεύονται από τα φυτά και μεταφέρονται μέσω αυτών σε άλλους οργανισμούς αφού είναι μη βιοδιασπώμενα [11]. Σχήμα 2.1: Τα βαρέα μέταλλα στο έδαφος [Η10] 21

23 2.2 Χρώμιο Γενικά στοιχεία Το χρώμιο (Chromium) είναι χημικό στοιχείο με σύμβολο Cr και ατομικό αριθμό 24. Είναι αργυρόλευκο γυαλιστερό και σκληρό μέταλλο με υψηλό σημείο τήξης. Το όνομά του προέρχεται από την ελληνική λέξη «χρώμα», επειδή έχει πολλές έγχρωμες ενώσεις. Ανήκει στην ομάδα της 1 ης κύριας σειράς των στοιχείων μετάπτωσης. Το χρώμιο δεν απαντάται ελεύθερο στην φύση αλλά εξάγεται από τα ορυκτά του, κυριότερο από τα οποία είναι ο χρωμίτης (FeCr 2 O 4 ). Το χρώμιο είναι το 21 ο πιο συνηθισμένο στοιχείο στην επιφάνεια της γης με μέση συγκέντρωση 100 mg/l. Η συγκέντρωση του στο χώμα είναι μεταξύ 1 και 3000 mg/kg, στο θαλασσινό νερό 5 με 800 μg/l και στα ποτάμια και τις λίμνες από 26 μg/l έως 5,2 mg/l. Η σχέση μεταξύ του Cr +3 και του Cr +6 εξαρτάται άμεσα από το ph και τα οξειδωτικά στοιχεία της περιοχής, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις το Cr +3 υπερισχύει, παρόλο που σε μερικές περιοχές τα υπόγεια ύδατα μπορούν να περιέχουν έως και 39 μg χρωμίου συνολικά και τα 30 μg από αυτά να είναι Cr +6. [Η11] Ιδιότητες Το χρώμιο είναι ένα λαμπερό, σκληρό μέταλλο που, όταν γυαλίζεται, δίνει μια όμορφη μεταλλική λάμψη. Γι' αυτό η βιομηχανία το χρησιμοποιεί για την παρασκευή εντυπωσιακών μεταλλικών αντικειμένων. Το χρώμιο, επίσης, είναι αξιοσημείωτο για τις μαγνητικές του ιδιότητες: είναι το μόνο στερεό στοιχείο που μπορεί να μην έλκεται μαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου (ή χαμηλότερη). Πάνω από τους 38 ο C έρχεται σε παραμαγνητική κατάσταση. [Η11] Στον Πίνακα 2.1 παρουσιάζονται συγκεντρωτικά οι ιδιότητες του χρωμίου. Πίνακας 2.1: Ιδιότητες του χρωμίου [Η11] Γενικές Ιδιότητες Όνομα Χρώμιο Σύμβολο Cr Μαζικός αριθμός 52 Ατομικός αριθμός 24 Κατηγορία στοιχείου Στοιχείο μετάπτωσης Ομάδα, Περίοδος, Τομέας 6,4,d Ατομικό Βάρος g/mol Φυσικές Ιδιότητες Φάση στερεή Πυκνότητα (στους 20 ο C) 7.19 g/cm 3 Πυκνότητα υγρού (στο σημείο τήξης) 6.3 g/cm 3 Σημείο τήξης 2180 K, 1907 o C, 3465 o F Σημείο βρασμού 2944 K, 2671 o C, 4840 o F Θερμότητα τήξης 21,0 kj/mol Θερμότητα εξάτμισης kj/mol Ειδική θερμοχωρητικότητα (25 ο C) kj/mol 22

24 Ατομικές Ιδιότητες Αριθμοί οξείδωσης 6,5,4,3,2,1,-1,-2 Ισότοπα 26 Ηλεκτραρνητικότητα (κλίμακα Pauling) 1.66 Απόλυτη Ηλεκτραρνητικότητα (ev) 3.72 Δυναμικό (V) -0,71 Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση [Ar] 3d 5 4s 1 Ηλεκτρόνια ανα στοιβάδα 2,8,13,1 1 ου : kj/mol, Ενέργειες Ιονισμού 2 ου : kj/mol, 3 ου :2987 kj/mol Χρήσεις Το χρώμιο και οι ενώσεις του βρίσκουν ευρεία εφαρμογή, στη μεταλλουργία, στην παραγωγή πυρίμαχων υλικών και στη χημική βιομηχανία. Ειδικότερα ενώσεις του εξασθενούς χρωμίου Cr(VI), χρησιμοποιούνται στη χημική βιομηχανία είναι οι εξής: Παραγωγή χρωμάτων και χρωστικών Επιμεταλλωτήρια Βυρσοδεψεία (κατά κύριο λόγο ενώσεις του Cr(III) Παρασκευή βερνικιών για τη συντήρηση του ξύλου Κατασκευή υλικών ηλεκτροσυγκόλλησης Παρασκευή αντισκωριακών των μεταλλικών επιφανειών Κλωστοϋφαντουργεία Παραγωγή μελανιού των φωτοτυπικών μηχανημάτων Μαγνητοταινίες Ως καταλύτης Τσιμεντοβιομηχανία Επιπροσθέτως, το χρώμιο χρησιμοποιείται στα οδοντοτεχνικά κράματα όπως: CoCr και NiCr. Σημαντική εφαρμογή βρίσκει, επίσης, στην κατασκευή χρωμιοχαλύβων, οι οποίοι είναι ανοξείδωτοι, αλλά και στην επιχρωμίωση μετάλλων που επιθυμείται η προστασία τους από τη διάβρωση. [12] Χημεία Χρωμίου Το χρώμιο μπορεί να εμφανιστεί σε διαφορές χημικές ενώσεις, με 3 κύριες οξειδωτικές μορφές: το στοιχειακό χρώμιο (0), το τρισθενές χρώμιο(iii) και το εξασθενές χρώμιο(vi). Ωστόσο στο περιβάλλον εμφανίζεται κυρίως ως τρισθενές χρώμιο Cr(III) και ως εξασθενές χρώμιο Cr(VI) που είναι πιο σταθερές. Το Cr(IV) και το Cr(V) είναι ασταθείς μορφές που μεσολαβούν στις αντιδράσεις και στις καταστάσεις οξείδωσης του τρισθενούς χρωμίου Cr(III). Το τρισθενές χρώμιο είναι ένα απαραίτητο ιχνοστοιχείο στη δίαιτα του ανθρώπου για την ενεργοποίηση της ινσουλίνης. Το εξασθενές χρώμιο, (VI) είναι η δεύτερη πιο σταθερή μορφή του χρωμίου και στη φύση συναντάται στο σπάνιο ορυκτό κροκοϊτη (PbCrΟ). Γενικότερα όμως όπου συναντάται είναι αποτέλεσμα ανθρωπογενούς δραστηριότητας. 23

25 Η παρουσίαση των συνθηκών του ph και του δυναμικού οξείδωσης, σύμφωνα με τις οποίες κάθε χημικό είδος είναι θερμοδυναμικά σταθερό, γίνεται με τη βοήθεια του διαγράμματος Pourbaix. Ένα τέτοιο διάγραμμα για το Cr σε αραιά υδατικά διαλύματα, παρουσία αέρα και απουσία οποιουδήποτε συμπλοκοποιητικού μέσου, εκτός από το H 2 O ή το HO -, φαίνεται στο Σχήμα 2.2. [12] Σχήμα 2.2: Διάγραμμα Pourbaix για το Cr. [12] Συνήθως στη φύση το χρώμιο βρίσκεται με την μορφή τρισθενούς χρωμίου και έτσι συναντάται στον αέρα, το έδαφος, το νερό, τα υπόγεια ύδατα και στη σκόνη των ηφαιστείων. Το τρισθενές χρώμιο αποτελεί χρήσιμο ιχνοστοιχείο για πολλά είδη οργανισμών και για τον άνθρωπο. Το μεγαλύτερο μέρος του τρισθενούς χρωμίου που βρίσκεται στο έδαφος δεν διαλύεται εύκολα στο νερό και μπορεί να εμπλουτίζει το έδαφος με ιχνοστοιχεία βοηθώντας τις καλλιέργειες. Όταν όμως η ποσότητα του χρωμίου στο έδαφος αυξάνεται, μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερες συγκεντρώσεις στις καλλιέργειες, οπότε μπορεί να προκύψουν αρνητικές επιπτώσεις. [Η12] Τρισθενές Χρώμιο Η παρουσία του τρισθενούς χρωμίου, η συγκέντρωση και οι χημικές μορφές με τις οποίες εμφανίζεται σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον εξαρτώνται από διάφορες χημικές και φυσικές διεργασίες, όπως η υδρόλυση, ο σχηματισμός συμπλόκων, οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής και η προσρόφηση. Το Cr(H 2 O) 3+ 6 είναι ένα μετρίως ισχυρό οξύ (pk~4) και οι μη πρωτονιωμένες μορφές του, οι οποίες συμβολίζονται χάριν απλότητας ως CrOH 2+ (aq), Cr(OH) + 2 (aq) και Cr(OH) 3 (aq) κυριαρχούν διαδοχικά μεταξύ των τιμών ph 4 έως 10. Cr (H 2 O) H 2 O Cr(OH)(H 2 O) H 3 O + Cr(OH)(H 2 O) H 2 O Cr(OH) 2 (H 2 O) H 3 O + Cr(OH) 2 (H 2 O) H 2 O Cr(OH) 3 (aq) + H 3 O + Το Cr(OH) 3 (υδροξείδιο του Cr (III)) είναι ελάχιστα διαλυτό στην περιοχή του ph από 5.5 ως 12 (ελάχιστο ανάμεσα σε ph 6.5 και 11.5) και η περιοχή αυτή συμπίπτει σε σημαντικό βαθμό με την περιοχή ph των φυσικών υδάτων. [12] Κατά συνέπεια, τα ύδροξυ σύμπλοκα CrOH 2+ (aq) Cr(OH) + 2 (aq) αναμένονται να είναι οι κυρίαρχες μορφές του Cr(III) στο περιβάλλον. 24

26 Το Cr(OH) 3 (aq) παρουσιάζει επαμφοτερίζουσα συμπεριφορά και σε υψηλότερες τιμές ph μετατρέπεται σε ευδιάλυτο τετρα υδροξο σύμπλοκο Cr(OH) 4 - Cr(OH 3 ) (s) + 2 H 2 O Cr(OH) H 3 O + Στα πιο πυκνά διαλύματα Cr(III) (με συγκέντρωση, C >10-6 M) μπορεί επίσης, να εμφανιστούν και τα πολυπυρηνικά προιόντα υδρόλυσης: Cr 2 (OH) 2 4+, Cr 3 (OH) 4 5+, Cr 4 (OH) Το τρισθενές χρώμιο Cr(III) θεωρείται σκληρό οξύ κατά Lewis και έχει την τάση να σχηματίζει σύμπλοκα με έξι υποκαταστάτες (αριθμός μοριακής σύνταξης = 6) οκταεδρικής δομής, όπως νερό, αμμωνία ουρία, αιθυλενοδιαμίνη και με φυσικές ή συνθετικές οργανικές ενώσεις. Τα σύμπλοκα που σχηματίζει το τρισθενές χρώμιο με υποκαταστάτες πλην του OH -, όταν αυτοί είναι σε μορφή διακριτών μορίων ή ιόντων, αυξάνουν την διαλυτότητά του. Όταν, όμως, τα άτομα του δότη είναι ενωμένα σε πολυμερή συστήματα όπως τα χουμικά οξέα, τότε τα σύμπλοκα του τρισθενούς χρωμίου θεωρούνται πως έχουν μικρή κινητικότητα. Εάν όμως η συμπλοκοποίηση με τέτοιου είδους υποκαταστάτες, μπορεί να αγνοηθεί, στις οξειδοαναγωγικές συνθήκες και τιμές ph που συνήθως επικρατούν στα φυσικά συστήματα, τότε το Cr απομακρύνεται από το διάλυμα ως Cr(OH) 3, ή αν υπάρχει Fe (III), με τη μορφή Cr x Fe 1-x (OH) 3 (όπου x είναι το γραμμομοριακό κλάσμα του Cr). [13] Εξασθενές Χρώμιο Το Cr(VI) απαντάται ως χρωμικό ανιόν HCrO 4 - /CrO 4 2- ή ως διχρωμικό ανιόν Cr 2 O 7 - (Σχήμα 2.3) Σχήμα 2.3: Οι μορφές του Cr(VI). Αριστερά φαίνεται το χρωμικό ανιόν και δεξιά το διχρωμικό ανιόν. [Η13] Οι μορφές αυτές είναι διαλυτές στο νερό και οι σχηματισμός κάθε μιας εξαρτάται από το ph και από την συνολική συγκέντρωση του εξασθενούς χρωμίου. Το H 2 CrO 4 ανήκει στα ισχυρά οξέα και για ph > 1 επικρατούν οι μη πρωτονιωμένες μορφές: H 2 CrO 4 H HCrO 4 k 7 = H 2 CrO 4 H CrO 4 k 8 = Για τιμές ph μεγαλύτερες από 7 κυρίαρχη μορφή είναι μόνο τα χρωμικά (CrO 2-4 ) ιόντα σε όλο το εύρος της συγκέντρωσης του διαλύματος. 25